Työ- ja elinkeinoministeriölle

Transkriptio

1 Työ- ja elinkeinoministeriölle Asia: Pyhäjoelle mahdollisesti rakennettavan ydinvoimalan vaikutukset Pyhäsalmen kaivokseen suunnitellun neutriinoilmaisimen toimintaan Yhteenveto Pyhäjoelle sijoitettu ydinvoimala ei tulisi sinänsä vaarantamaan Pyhäsalmen kaivokseen suunnitellun yhteiseurooppalaisen maanalaisen tutkimusaseman toteuttamista. Tutkimustoiminnan kannalta ydinvoimalan sijoittaminen Simoon olisi kuitenkin parempi vaihtoehto kuin sijoittaminen Pyhäjoelle, koska voimalan kielteinen vaikutus tieteellisten mittausten tarkkuuteen olisi silloin huomattavasti vähäisempi ja merkittäviä tuloksia olisi saatavissa nopeammin. Tieto ydinvoimalan sijoittamisesta Pyhäjärven lähialueelle, etenkin niin lähelle kuin Pyhäjoelle, tulisi epäilemättä vaikuttamaan negatiivisesti Pyhäsalmen asemaan maanalaisen tutkimusaseman sijoituspaikasta päätettäessä Tausta Avaruudesta tulevan hiukkassäteilyn tutkimukseen erikoistunut astrohiukkasfysiikan eurooppalainen tutkimusyhteisö suunnittelee suuren maanalaisen tutkimuslaitteiston rakentamista. Euroopan yhteisön rahoittamassa FP7-puiteohjelman LAGUNAhankkeessa on käynnissä selvitys, jossa verrataan seitsemän eri puolilla Eurooppaa sijaitsevan sijoituspaikkavaihtoehdon sopivuutta tutkimuslaboratorion rakentamiselle ja toiminnalle. Pyhäsalmen kaivos Pyhäjärvellä on yksi ehdoilla olevista sijoituspaikoista. Suoritetussa teknisessä vertailussa Pyhäsalmen kaivos on osoittautunut monessa suhteessa parhaimmaksi sijoituspaikaksi. LAGUNA-hankkeen loppuraportti valmistuu vuoden 2010 aikana. LAGUNA-hankkeessa on tutkittu kolmea eri vaihtoehtoista teknistä ratkaisua tutkimuslaitteistolle, hiukkasten havaitsemiseen ja mittaamiseen tarkoitetulle ilmaisimelle. Ilmaisimien koodinimet ovat LENA (tuikeöljyilmaisin), GLACIER (nesteargoni-ilmaisin) ja MEMPHYS (vesi-ilmaisin). Kaikissa näissä vaihtoehdoissa

2 pääasiallisena tavoitteena on mitata matalan energian neutriinoja, joita syntyy Auringon ytimessä, räjähtävissä tähdissä eli supernovissa, ilmakehässä kosmisten säteiden aiheuttamien hiukkasreaktioiden seurauksena sekä maapallon sisäosassa tapahtuvista radioaktiivisista hajoamisista. Mittausten avulla tutkitaan sekä neutriinojen ominaisuuksia että neutriinoja synnyttävissä kohteissa tapahtuvia fysiikan ilmiöitä. Lisäksi koelaitteistolla tullaan mittaamaan aineen pysyvyyttä eli protonin hajoamista. Ydinvoimaloiden vaikutus kokeisiin Jos Pyhäsalmen kaivos valitaan tutkimuslaboratorion sijoituspaikaksi, todennäköisin sinne ensivaiheessa sijoitettava koevaihtoehto on LENA. Tämän takia tarkastelemme seuraavassa ydinvoimaloiden vaikutusta LENA-kokeen toteuttamiseen. Kahden muun toteutusvaihtoehdon kohdalla ydinvoimaloiden vaikutukset ovat vähäisemmät kuin vaikutukset LENAan. Tarkastelun numerotiedot perustuvat FM Kai Loon käynnissä olevaan tutkimukseen ydinvoimaloiden vaikutuksista LENA-kokeen mittauksiin. LENA-ilmaisin koostuu noin 50 kilotonnista nestemäistä tuikeainetta sijoitettuna metalliseen tankkiin, joka on vuorattu noin valomonistinputkella hiukkasten aiheuttamien valontuikahdusten havaitsemiseksi. Tankki on sijoitettava syvälle maan alle, jotta estettäisiin mittauksia häiritsevän kosmisen säteilyn pääsy mittalaiteeseen. Ydinreaktoreissa syntyy ydinreaktioiden tuloksena neutriinoja, jotka aiheuttavat virhesignaaleja suunnitelluissa mittalaitteissa ja häiritsevät tehtäviä mittauksia ja siten huonontavat mittausten tarkkuutta. Näiden neutriinojen pääsyä mittalaitteeseen ei voi estää, sillä neutriinot pääsevät tunkeutumaan paksun kalliokerroksen ja kaiken muunkin aineen läpi esteettä. Ydinvoimaloissa syntyvät neutriinot tulevat vaikuttamaan kaikkein kielteisimmin maapallon sisällä syntyneiden neutriinojen (geoneutriinojen) ja supernovista peräisin olevien ns. diffuusien neutriinojen mittauksiin. Reaktorit neutriinolähteinä Reaktorit ovat voimakkaita neutriinolähteitä. Ne tuottavat elektronin antineutriinoja, jotka syntyvät polttoaineisotooppien (U-235, Pu-239,Pu-241, U-238) fissiotuotteiden hajoamisketjujen beeta-hajonnoissa. Keskimääräinen painevesireaktori tuottaa noin neutriinoa sekunnissa gigawatin lämpötehoa kohden. Neutriinojen energiaspektreinä on tässä selvityksessä käytetty U-235, Pu-239, Pu-241 kohdalla mittaustulosten sovituksia ja U-238:n kohdalla laskettua spektriä Neutriinot vuorovaikuttavat aineen kanssa hyvin vähän, joten ne leviävät ydinvoimasta pallomaisesti kaikkiin suuntiin tasaisesti. Kallioperä ei vaikuta niiden kulkuun, joten ne tulevat saavuttamaan myös 1,4 kilometrin syvyyteen sijoitettavan LENA-ilmaisimen vaimenematta. Koska leviäminen tapahtuu pallomaisesti, neutriinojen virta pintaalayksikköä kohti pienenee kääntäen verrannollisesti ydinvoimalasta mitatun etäisyyden neliöön. Neutriinojen haittavaikutusta arvioitaessa etäisyys tutkimuslaboratorion ja ydinvoimalan välillä on siksi oleellinen suure. Toinen oleellinen suure on ydinvoimalan lämpöteho. Vuontiheyksien arviointia varten on koottu tietokanta kaikista maailman

3 toimivista (kaupallisista) ydinreaktoreista, joka sisältää tiedot voimaloiden sijaintipaikoista ja tehoista. Ydinvoimalasta tulevien neutriinojen virran luonteeseen vaikuttaa myös ns. neutriinojen oskillaatioilmiö. Oskillaatioilmiön seurauksena osa ydinvoimalassa syntyneistä neutriinoista muuttuu toisiksi neutriinolajeiksi, mikä vaikuttaa neutriinovirran haitallisuuteen. Oskillaatioilmiön vaikutus riippuu ydinvoimalan ja tutkimuslaboratorion välisestä etäisyydestä. Tässä selvityksessä on oskillaation vaikutuksen arviointiin on käytetty tavanomaista oskillaation kolmikomponenttimallia. Pyhäsalmen vertailu LAGUNA-hankkeen muihin ehdolla oleviin sijoituspaikkakuntiin nykytilanteessa Pyhäsalmen kaivos sijaitsee kaukana Suomessa tällä hetkellä toimivista reaktoreista (etäisyys Olkiluotoon 359 km ja Loviisaan 367 km) ja etäällä Euroopan muista voimaloista. Ydinreaktoreiden aiheuttama neutriinojen taustavuo onkin Pyhäsalmella pienempi kuin muilla LAGUNA-kokeen ehdolla olevilla paikkakunnilla. Kun vuonna 2009 käytössä olevat maailman ydinreaktiot toimivat ilmoitetulla maksimitehollaan, niiden aiheuttamat signaalit ilmaisinkilotonnia kohti vuodessa eri sijoituspaikkakunnilla ovat taulukon 1 mukaiset. Sijaintipaikka Havaintoja / kton / vuosi Pyhäsalmi (FIN) 73 Caso (ITA) 106 Slanic (ROM) 122 Sieroszowice (POL) 182 Canfranc (ESP) 275 Frejus 645 Boulby 1470 Taulukko 1 Mahdollisten uusien reaktorien vaikutukset Pyhäsalmella Suomeen mahdollisesti rakennettavat ydinvoimalat tulevat lisäämään häiriösignaalien määrää. Taulukossa 2 on esitetty Pyhäjoelle, Simoon, Olkiluotoon tai Loviisaan sijoitetun 4,9 GW:n tehoisen uuden ydinvoimalan vaikutus lisääntyneinä signaalimäärinä ja prosentuaalisen muutoksena nykyiseen tilanteeseen verrattuna.

4 Paikkakunta Etäisyys [km] Häiriösignaalien Lisäys-% määrän lisäys Pyhäjoki % Simo % Olkiluoto % Loviisa % Taulukko 2 Jos uusi ydinvoimala rakennettaisiin Loviisaan, Olkiluotoon tai Simoon, reaktorineutriinojen aiheuttama häiriö olisi Pyhäsalmella edelleen alhaisempi kuin muilla tutkimuslaitoksen sijoituspaikaksi ehdolla olevilla paikkakunnilla. Pyhäjoelle sijoitettava uusi ydinvoimala nostaisi häiriösignaalin suuremmaksi kuin Italian Casossa ja Romanian Slanicissa. Häiriösignaalin kasvaminen lähes kaksinkertaiseksi on mittauksien kannalta merkittävä huononnus. Pyhäsalmen ohella varteenotettavin sijoituspaikkakunta on kaikki asiaan vaikuttavat tekijät huomioon ottavan teknisen vertailun perusteella Ranskan Frejus. Uudenkin ydinvoimalan ollessa käynnissä häiriösignaali olisi Pyhäsalmella alhaisempi kuin Frejus ssa. Ydinvoimalaneutriinojen vaikutus tieteellisiin mittauksiin Ydinvoimaloiden neutriinot vaikuttavat eniten geoneutriinojen mittauksiin, koska ydinvoimaloista peräisin olevien neutriinojen energiat ovat samalla energia-alueella kuin geoneutriinojen energiat. Seuraavissa kuvissa on otettu huomioon LENA-ilmaisimen suunniteltu energian erottelukyky. Kuvassa 1 on esitetty geoneutriinojen (punainen viiva) ja ydinvoimaloista tulevien neutriinojen (vihreä viiva) vuo eri energioiden arvoilla ennen mahdollisen uuden reaktorin rakentamista (musta viiva on yhteenlaskettu vuo). Kuvan mukaan ydinvoimalan neutriinot peittävät huomattavasti geoneutriinosignaalia spektrin suurien energioiden alueella, mutta suurimman geoneutriinojen vuon kohdalla ydinvoimaloista tulevan taustan suhde geoneutriinosignaaliin on tausta/signaali = 14 %.

5 Kuva 1 Kuvassa 2 on esitetty Pyhäjoelle (vihreä viiva) tai Simoon (sininen viiva) mahdollisesti rakennettavan voimalan aiheuttama muutos nykytilanteeseen (musta viiva). Kuvasta selviää, että mahdollinen uusi ydinvoimala aiheuttaisi geoneutriinosignaaliin nykytilannetta merkittävästi suuremman häiriön. Pyhäjoelle rakennettavan ydinvoimalan vaikutus olisi merkittävästi suurempi kuin Simoon rakennettavan ydinvoimalan merkitys. Jos ydinvoimala rakennettaisiin Pyhäjoelle, geoneutriinojen spektrin maksimikohdassa tausta-signaali-suhde olisi tausta/signaali = 29 %. Simoon rakennettavan ydinvoimalan aiheuttama muutos nykyiseen 14 %:n tausta-signaali-suhteeseen olisi huomattavasti pienempi, sillä suhteen arvoksi tulisi tausta/signaali = 18 %. Kuva 2

6 Johtopäätökset Pyhäjoelle mahdollisesti rakennettava ydinvoimala vaikuttaisi negatiivisesti Pyhäsalmen kaivokseen suunnitellun neutriinoilmaisimen tieteellisiin mittauksiin. Kaiken kaikkiaan ydinvoimaloista tuleva häiriösignaali kaksinkertaistuisi nykyiseen verrattuna. Tällä on huomattava huonontava vaikutus mittaustulosten tarkkuuteen. Koska mittaustuloksen tarkkuus määräytyy signaalitapauksien määrästä, mittaustuloksen heikkeneminen mahdollisesti rakennettavan ydinvoimalan vaikutuksesta voitaisiin kompensoida pidentämällä mittausaikaa. (Suunniteltu mittausaika on kymmeniä vuosia.) Ydinvoimalan aiheuttama taustasignaali on kriittisin maapallon sisästä peräisin olevien geoneutriinojen mittauksille. Geoneutriinoja on aikaisemmin mitattu japanilaisessa kokeessa, ja niitä ollaan parhaillaan mittaamassa Italiassa käynnissä olevassa Borexinokokeessa (LENA-kokeen prototyyppikoe). LENA-koe tulisi mittaamaan geoneutriinoja huomattavasti tarkemmin kuin nämä kokeet. Pyhäjoelle tuleva ydinvoimala huonontaisi nykyistä tilannetta vastaavan tausta-signaali-suhteen nykyisestä 14 %:sta 29 %:iin. Simoon sijoitettava ydinvoimala huononnus olisi merkittävästi pienempi, 14 %:sta 18 %:iin. LENA-kokeessa on myös sellaisia mittauksia (esim. aurinkoneutriinojen ja protonin hajoamisen mittaaminen), joihin ydinvoimaloilla ei ole merkittävää vaikutusta. Jukka Maalampi Kari Rummukainen Matti Weckström Professori Professori Professori Jyväskylän yliopisto Helsingin yliopisto Oulun yliopisto